USB供電的主要趨勢和解決方案

如何實現(xiàn)最大化供電?

聚焦最高供電能力240瓦的USB供電參考設計方案

簡介

原作者

Anand Kannan，anand.kannan@infineon.com

Alexander Guba，alexander.guba@arrow.com

USB供電標準(PD)在不斷發(fā)展。最近的USB供電規(guī)范3.2支持高達240瓦(48V，5A)的拉電流和灌電流功率。本文將討論USB供電的主要趨勢，探索為何在2024年實施USB-C不再視為一種創(chuàng)新，而只是一種采用新設計保持競爭力的良好方案。最后，本文將概述支持240瓦的拉電流和灌電流方案，這種方案采用了英飛凌的初級側(cè)和次級側(cè)控制器、EZ-PD PMG1高壓微控制器、集成USB-C供電和英飛凌CoolGaN 功率晶體管。

目前，USB是一組公認的消費品和汽車應用標準，并快速擴展到工業(yè)和電動車部門。1996年誕生的USB 1.0是第一個USB官方版本，支持最大1.5 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，最高2.5瓦供電，現(xiàn)在USB已經(jīng)發(fā)展到令人難以置信的水平，可通過單根USB-C線纜支持80 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸和240瓦供電。即使如此，最近的一次會展上，艾睿電子的展臺前還是有超過半數(shù)的參觀者了解到USB標準已經(jīng)支持240瓦后，顯得非常驚訝。

USB Type-C接口

讓我們深入了解USB Type-C標準接口的詳細情況。這種接口的最大優(yōu)勢是其對稱設計，因此可以不考慮插入方向——兩面插入都可以。這種接口支持高達240瓦供電，兼容HDMI、DisplayPort、雷電協(xié)議，還可通過備用模式(Alt Mode)支持其他協(xié)議。這些特點對工業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。

觀察圖1的公頭引腳，CC1和CC2腳——也稱為線纜配置引腳——用于控制方向并確定其作用：下行端口(DFP)用于拉電流，上行端口(UFP)用于灌電流，雙端口(DRP)同時用于拉電流和灌電流。CC引腳的另一個功能是在協(xié)商拉電流和灌電流之間的供電連接時，加快數(shù)據(jù)傳輸。

注意有4對差分對，標記為RX/TX，用于USB 5Gbps或更高的傳輸速度，啟用USB 3.1時將采用這幾個引腳。以上引線在全雙工模式下運行，而2對傳統(tǒng)引腳D+/D-位于中心，在半雙工模式下運行。標記為SBU(邊帶使用)的引腳用于備用模式(Alt Modes)，比如DisplayPort或Thunderbolt下的視頻輸出。VBUS引腳用于提供高達240瓦的供電。全部4個外部接地引腳(GND)用于接地。USB-C接口在高傳輸速率和高功率供電下，必須正確接地。

USB供電規(guī)范

深入探討USB供電標準的話，如前所述，初版的USB標準只允許VBUS提供2.5瓦的最大功率(5V，500mA)。到了USB 3.0，功率略有增加，達到4.5瓦(5V，900mA)，但依然滿足不了許多應用情況。

圖2：USB供電3.2擴展功率范圍

2014年推出USB Type-C及供電標準后，USB的供電能力顯著增加。默認情況，通過USB Type-C供電，最大功率增加到15瓦(5V，3A)。完全實施USB供電規(guī)范后，單個USB電源可提供高達100瓦(20V，5A)的供電。

從USB供電3.1開始，規(guī)范允許的最大功率達到240瓦(48V，5A)?，F(xiàn)在，超過20V的所有電壓分類到擴展功率范圍(EPR)。這一規(guī)范還包括可調(diào)電壓供電(AVS)模式，允許15V以上的電壓按100mV步長進行調(diào)壓。

市場發(fā)展趨勢

USB差不多是有30年歷史的舊標準，但就在最近，其傳輸速度和供電能力有了大幅提高。過去8年來，USB-C得到主流設備制造商的采用，如筆記本電腦和智能手機廠商。

現(xiàn)在，大部分筆記本電腦至少帶有1個USB-C端口。另外，許多其他移動設備也轉(zhuǎn)換到USB-C端口，市場上的USB-C電源適配器也明顯增加。同時，汽車制造商也在車輛上增加了更多的USB-C端口，為司機和乘客提供強勁的充電功能。按照這一趨勢，未來幾年，內(nèi)置USB-C和USB-C的產(chǎn)業(yè)應用將顯著增加。

預計2025年及以后，許多目前功率最高為240瓦的電子設備，將采用USB-C作為數(shù)據(jù)通信和充電的標準端口。

圖3：主要市場趨勢——許多電子設備將采用USB-C作為數(shù)據(jù)通信、和高達240瓦的充電端口

推廣USB應用的重要因素有電池技術競賽、工業(yè)應用轉(zhuǎn)型、以及USB日益得到全球范圍的接受。本地法規(guī)也產(chǎn)生重要影響：到2024年底，所有歐盟國家內(nèi)的許多設備將強制要求采用USB Type-C和USB供電。美國和其他國家也正在進行類似的討論。

在這些趨勢下，采用USB供電不僅僅是與尖端技術同步，還是確保市場地位的重要競爭優(yōu)勢。但是，該標準之所以在近幾年得到快速應用，其主要優(yōu)勢到底是什么?

重要的技術驅(qū)動因素

結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸和供電功能：推動USB-C快速增長的重要原因之一，是其能夠通過一個小接頭傳輸高速數(shù)據(jù)、視頻和供電。這個功能便于設計出更小、更薄的設備。

統(tǒng)一和重復使用：傳統(tǒng)的電源適配器提供的電源和電流固定，而且通常采用獨特的圓柱形接頭，這意味著它們只能用于對應的設備。這類適配器通常不能兼容其他設備。

相反，USB-C電源適配器可廣泛兼容，其USB Type-C接頭可接入各類設備。另外，采用240瓦USB電源適配器，可以調(diào)整電壓和電流，只要功率不超過240瓦(48V，5A)。因此可以對功率在240瓦以下的USB設備充電，包括5V或15V設備，45瓦手機和160瓦筆記本電腦。即使是未來的設備，如電動工具、電動單車或消費級3D打印機，也可能使用相同的適配器充電。只需要一個USB電源適配器就可以給許多設備充電，這為消費者節(jié)省了費用。

節(jié)省研發(fā)和制造成本：定制化電源，無論內(nèi)置還是采用定制接頭，通常都需要在設計、制造、測試方環(huán)節(jié)進行額外投資，尤其是產(chǎn)品數(shù)量不是很大的時候。

采用USB-C電源適配器取代定制電源，加上專用的英飛凌USB-C供電灌電流控制器，能夠減少每瓦特成本。由于大眾市場上的充電器制造商競爭激烈，這自然推動了USB-C電源適配器的普及。

減少上市時間：定制方案除了成本更高(無論外置還是內(nèi)置設計)，通常研發(fā)時間和測試時間也更長。大多數(shù)應用案例中，采用簡單的USB灌電流方案和認證USB充電器可以實現(xiàn)快速上市。

減少對OEM廠商的依賴：當供電或集成交流/直流電源模塊來自一家OEM廠商時，將產(chǎn)生另一個問題。這種情況，項目的未來高度依賴于第三方的生產(chǎn)計劃。但是，一旦實施USB灌電流功能，則消費市場中功率相同的認證USB適配器都可以使用，從而減少了對單一OEM供應商的依賴。

減少電子垃圾：粗一看可能不明顯，但是充電器統(tǒng)一之后，可顯著改善環(huán)境保護。雖然單個充電器很小，但考慮到每年廢棄上百萬個充電器，對環(huán)境的影響非常大。

提高品牌認知：設計公司緊跟潮流也增加了對潛在客戶的吸引力。試想一下，如果你的公司購買了昂貴的現(xiàn)代化測量設備，但居然使用CD光盤安裝驅(qū)動和軟件工具，會有什么感受。

USB Type-C接口：除了上述USB驅(qū)動因素的優(yōu)勢，其最重要特色是在2024年引入24針的 USB Type-C接口(圖1)。

240瓦USB供電灌電流參考設計

在行業(yè)的最新趨勢下，艾睿電子和英飛凌推出了新的240瓦供電3.1灌電流參考設計，它采用了英飛凌EZ-PD PMG1-S3高壓微控制器，旨在支持高功率的USB設備。這個新的參考設計支持高達48V@5A的供電對象(PDO)灌電流模式，代表了USB供電標準所能達到的最高水平。

本參考設計擴展了英飛凌EZ-PD PMG1高壓微控制器系列的現(xiàn)有灌電流功率，從140瓦增加到240瓦，這對需要大功率快速充電的設備來說非常重要。

圖4：REF_ARIF240WS3灌電流參考設計電路板

上圖為240瓦灌電流參考設計電路板REF_ARIF240WS3，補充了最近發(fā)布的英飛凌USB PD 3.1拉電流評測電路板REF_XDPS2222_240W1。兩者組合后，工程師可第一時間推出完整的240瓦USB供電3.1灌電流-拉電流解決方案。

英飛凌240瓦USB供電拉電流參考設計

英飛凌REF_XDPS2222_240W1是與灌電流對應的240瓦拉電流設計，它基于CoolGaN技術，是一種高效的小型化USB供電3.1參考設計，功率密度25瓦/立方英寸，采用XDP 數(shù)字電源XDPS2222 PFC + 混合反激(HFB)式復合集成電路(combo IC )(圖5)。

圖5：REF_XDPS2222_240W1 拉電流參考設計電路板

PFC和HFB之間的內(nèi)部交握和自適應總線電壓設置，使得XDP XDPS2222控制器能完美適用于交流電寬幅輸入、及超寬幅輸出電壓的設備，如USB供電擴展功率范圍(EPR)適配器和電源充電器。主要功能包括，HFB ZVS高-低側(cè)運行，快速反應HFB峰值電流控制，協(xié)調(diào)PFC和HFB運行，輕載跳脈沖，自動PFC啟用/禁用控制，以及自調(diào)節(jié)PFC總線電壓水平。

上述參考設計旨在廣泛支持各類設備，如輕型電動交通工具(電動單車、電動摩托車和個人電動交通設備)、無人機和移動機器人、3D打印機、專業(yè)影音設備、電動工具、醫(yī)療設備、家用電器、家庭娛樂設備等。

總的來說，功率在0至240瓦的任何設備都能通過USB-C取電，從這些先進設計所提供的杰出USB供電功能中受益。

支援服務

兩款參考設計均提供定制服務。除技術支持外，艾睿電子還提供一系列技術支持服務，包括原理圖定制及PCB修改，幫助客戶最大程度發(fā)揮設計潛力，縮短產(chǎn)品上市時間。